Redes

ISSN OI 03-9741 Monografias em Ciência da computaçao no 29/06 WiMPX: Padrão IEEE 802. 16 para Banda Larga Sem Fio Luciana dos Santos Lima Luiz Fernando Gomes Soares Markus Endler Departamento de Informática PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO RUA MARQUÊS DE SÃO VICENTE, 225 – CEP 22453-900 RIO DE JANEIRO – BRASIL 3 Monografias em Ciê a page Carlos José Pereira d ISSN: 0103-9741 setembro, 2004 Editor: prof. Luciana dos Santos Lima, Luiz Fernando Gomes Soares, Markus Endler Departamento de Informática Pontificia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) {Islima, Ifgs, endler}@inf. uc-rio. br Abstract. The main purpose ofthis work is to give an overuew of IEEE 802. 16, a standard for wireless broadband access, with a special focus on its mechanism for providing QoS. We compare the standards IEEE 802. 11, IEEE 802. 16 and IEEE 802. 20 With the intention to identify the part each standard plays, accordng to its characteristics, in an integrated wireless network infrastructure, and show how they Will coexist and complement each other in mecanismo de provisão de QoS.

São apresentadas comparações entre os padrões IEEE 802. 11, IEEE 802. 16 e IEEE 802. 20 com o propósito de posicionar cada padrão em função das uas características, mostrando como eles coexistem e complementam-se de modo a prover uma solução integrada para o acesso às redes de comunicação. Concluímos tecendo algumas observações sobre uma arquitetura comum para provisão de QOS em redes sem fio integrando os padroes IEEE 802. 11 e IEEE 802. 16. palavras-chave: IEEE 802. 16, WiMAX, Banda Larga sem Fio, Qualidade de Serviço.

In charge for publications: Rosane Teles Lins Castilho Assessoria de Biblioteca, Documentação e Informação PUC-Rio Departamento de Informática Rua Marquês de São Vicente, 225 – 22453-900 Rio de Janeiro R] Brasil Tel. 55 21 3114-1516 Fax: +55 21 3114-1530 E-mail: [email protected] . puc-rio. br Web site: http://bib-di. inf. puc-rio. br/techreports/ Sumário ntroduçao 1. 1 Motivação 1. 2 Objetivos 1. 3 Cenário Atual: Padrões IEEE 802 para Redes Sem Fio 1 A Organização do Texto 668899911 13 20 23 252729 31 31 31 323435 41 45 4848 49 50 50 2 Família de Padrões IEEE para Acesso Banda Larga Sem Fio 2. 1 0 Padrão IEEE 802. 6 2 OF Banda Larga Sem Fio 3. 1 Arquiteturas de QoS do IETF para Internet Cabeada Al . 3 3. 1. 1 Modelo de serviços Integrados Al . 4 3. 1. 2 Modelo de Serviços Diferenciados 3. 2 Qos no Padrão IEEE 802. 16 Al . 5 Al . 6 Al. 7 Al. 8 3. 2. 1 Modelo de Objetos 3. 2. 2 Fluxos de Serviço 3. 2. 3 Classes de Serviço 3. 2. 4 Estrutura da Transmissão no Uplink 4 Qos: Integrando os padroes IEEE 802. 11 e IEEE 802. 16 4. 1 Arquitetura Genérica para Provisão de QoS 4. 2 Arquiteturas Propostas 4. 3 Discussão 5 Conclusões Lista de Figuras Figura 1. 1 – padronizaçao global (IEEE e ETSI) para redes sem 802. 1 fio [ITU, 2003] , .. Figura 1. 2 – Cenários de aplicações sem fio (adaptado de [Stepanov, 2002]).. 9 Figura 2. 1 – O padrão IEEE 802. 16 viabiliza soluções que atendem as necessidades de uma variedade de segmentos e acesso banda larga [Intel, 2003] 10 Figura 2. 2 – O padrão IEEE 802. 16 viabiliza conexões sem fio NI_OS ponto a multiponto e backhaul LOS [Intel, 2003] 12 Figura 2. 3 – Pilha de protocolos do IEEE 802. 16 [IEEE std . 13 Figura 2. 4 – Perfis de Rajada: associação dinâmica de técnicas de modulação [Marks, 2003] — . 14 Figura 2. 5 – Diagrama da constelação do sistema QPSK . constelação do sistema 16 AM… Figura 2. – Diagrama da c 83 15 Figura 2. 6 — Diagrama da QAM… …. 15 Figura 2. 7 — Diagrama da constelação do sistema 64 . 16 Figura 2. 8 — Topologia em malha (mesh) 9 Figura 2. 9 – Exemplificando a interoperabilidade entre o IEEE 802. 11 e o IEEE 802. 16 [Paolini, 2004]… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Figura 2. 10 – Pilha de protocolos do IEEE 802. 1 se para estações base [WiMAX Forum]…. 26 Figura 2. 11 – Plataformas de Interoperabilidade sem fio.. 28 Figura 2. 12 – Plataformas de Interoperabilidade sem fio:comparativo das taxas de transmissão ……. 29 Figura 3. 1 – Arquitetura de QoS do padrão IEEE 802. 6 [Chen, 20041 32 Figura 3. 2 – Arquitetura da camada MAC na estação do assinante [Yaghoobi, 2003]… ….. 33 Figura 3. 3 – Arquitetura da amada MAC na estação base [Yaghoobi, 2003] 34 Figura 3. 4 – Teoria do modelo do objeto de operação [IEEE Std 802. 16-2001].. .35 Figura 3. 5 — “Envelope” do Modelo de Autonzaçao provisionado [I EEE Std 802. 16-2001] .. 36 Figura 3. 6 – “Envelopes” do Modelo de Autorização Dinâmico [IEEE Std 802. 16-2001] … 36 Figura 3. 7 — Mecanismo de classificação [Chen, 37 Figura 3. 8 – Estrutura da MIB wrnanlfMib [Chau, 2004] 4 Tabelas referentes à provisão do fluxo de serviço [Chou, .. 0 Figura 3. 10 – provisao do fluxo de serviço [Nair, 2004].. 41 Figura 3. 11 – Concessão de privilégio de acesso e dados (data grants) em um fluxo de serviço UGS 42 Figura 3. 12 – Mecanismo de QoS para aplicações multim(dia Figura 3. 8 – Estrutura da MIB wmanIfMib [Chou, 2004] — 2004] . .. 39 Figura 3. 9 [Nair, 2004] . 44 Figura 3. 13 — Estrutura do subframe de downlink [Eklund, 45 Figura 3. 14 – Estrutura do subframe de uplink [Eklund, 2002] acesso à rede [Nair, 2004]. iv Lista de Tabelas .. 46 Figura 3. 15 – Mecanismo de Tabela 2. 1 – Tabela comparativa: família de padrões IEEE 802. 16 .. 13 Tabela 2. – Caracter[sticas da camada [WiMAX fisica do IEEE 802. 1 6a [WIMAX, 2004] — …….. 17 Tabela 2. 3 – Características das interfaces aéreas da camada fisica do IEEE … 18 Tabela 2. 4 – Características da camada MAC do 802. 16… IEEE 802. 16a [WiMAX, 2004] .. 20 Tabela 2. 5 – Interfaces de rádio do IEEE 802. 11 [WiMAX porun-,] 24 Tabela 2. 6 – Tabela comparativa: IEEE 802. 11 x IEEE 802. 16 M’iMAX Forum] .. 25 Tabela 2. 7 — Tabela comparativa: IEEE 802. 20 x IEEE 802. 16e [WiMAX Forurrn ……………. 27 Tabela s OF Tabela 2. 7 – Tabela comparativa: IEEE 802. 20 x IEEE 802. 16e [WiMAX Forum] … 27 Tabela 2. – Tabela comparativa: IEEE 802. 11, IEEE 802. 16 e IEEE 802. 20 [‘WiMAX Forum] ……. 8 Tabela 3. 1 – Tabela comparativa entre as categorias de serviço do padrão IEEE 802. 16 … 45 1 Introdução 1. 1 Motivação A tecnologia para redes locais sem fio (Wireless LAN ou WLAN) existe há mais de 15 anos. Como principal fator de popularização dessa tecnologia podemos citar a criação por parte do IEEEI do padrão 802. 11. Esse padrão também é chamado de IEEE WirelessLAN ou ainda WiFi (Wireless Fidelity), marca registrada de um grupo de fabricantes que se uniram para criar um selo de garantia de compatibilidade homônimo.

O IEEE vem desenvolvendo um padrão para as redes metropolitanas sem io (Wireless MAN ou WMAN) conhecido como IEEE 802. 16, ou mais popularmente como WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). O fórum WiMAX2 é uma organização sem fins lucrativos, formada por empresas fabricantes de equipamentos e de componentes, com o objetivo de promover e certificar a compatibilidade e a interoperabilidade de produtos para a banda larga sem fio.

O que o padrão IEEE 802. 11 fez pelas WI_ANs, o 802. 16 pode fazer para o acesso sem fio de banda larga para a última milha (last-mile3). A proposta do 802. 16 é conectar as residências e as corporações à Internet. Como definido atualmente no padrão 802. 16, uma WMAN permite o acesso ? rede através de antenas externas nas estações rádio base. A WMAN oferece também uma altern 6 83 acesso à rede através de antenas externas nas estações rádio base.

A WMAN oferece também uma alternativa para redes de acessos cabeadas, tais como enlaces de fibra ótica, sistemas coaxiais utilizando cable modems, e enlaces de acesso banda larga, como DSL (Digital Subscriber Cine). Dado que os sistemas de banda larga sem fio têm a capacidade de conectar grandes áreas geográficas sem a necessidade de investimento em uma nfra-estrutura de alto custo, a tecnologia do padrão 802. 16 pode permitir a implantação de BWA (Broadband Wireless Access) com significativa redução de custos e em um tempo menor.

Esses fatores permitem ao 802. 16 oferecer a conveniência da mobilidade e da banda larga para um grande número de usuários, sendo apontado como uma tecnologia extremamente atraente para a cobertura de áreas rurais e pontos de difícil acesso, que correspondem à grande maioria das localidades não servidas por redes cabeadas. As redes metropolitanas têm uma cobertura com alcance máximo de 100 Km. Essas edes abrangem tipicamente ambientes urbanos. Esse fator traz algumas dificuldades ao funcionamento de uma rede sem fio, que tipicamente necessita de visada direta.

Além desse fator, aspectos como frequências de operação, número de usuários atendidos, desempenho, qualidade de serviço (QoS) e segurança são igualmente desafiadores e originam uma série de estudos e propostas. A seguir esses fatores serão brevemente apresentados: • Visada Direta4: Em um ambiente metropolitano realista, a 70% dos clientes tipicamente não têm visada direta e aberta ao ponto de acesso da rede sem fio devido Acrônimo para Institute of Electrical and Electronic ponto de acesso da rede sem fio devido 1 Acrônimo para Institute of Electrical and Electronic Engineers. 2 WiMAX Forum: http://wwnw. imaxforum. org. 3 Referência a infra-estrutura de comunicação entre o ponto de presença (POP) do provedor de serviço e as localizações onde se encontram os consumidores empresariais ou residenciais, ou seja, a parte final da malha de distribuição dos serviços. Esta é a porção mais cara do serviço, devido aos custos de infraestrutura e instalação. 4 Ausência de obstáculos entre o transmissor e o receptor. a grande quantidade de edifícios, pontes, árvores, etc. Os protocolos utilizados nas redes locais (FHSS – Frequency-Hopping Spread Spectrum e DHSS – Direct-Sequence Spread Spectrum) necessitam de visada direta.

Uma parte do sinal de rádio é sempre refletida pelos edifícios, podendo ser utilizada para se alcançar pontos aonde não se consegue chegar diretamente. No entanto, as reflexões causam atenuações em algumas faixas de frequência (e essas atenuações são totalmente imprevisíveis), sendo assim, o protocolo utilizado deve ser capaz de lidar com a perda causada por essas atenuações. O protocolo utilizado pelo IEEE 802. 16 para solucionar esse problema é o OFDM5 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) que, ao contrário do FHSS ou DSSS, não transmite uma, mas centenas de portadoras ao mesmo tempo.

Sendo necessário que apenas algumas dessas portadoras cheguem ao receptor para que a informação seja recuperada. Isso possibilita que um equipamento WiMAX6 seja capaz de se comunicar em distâncias de até 6 Km sem visada, utilizando apenas o mecanismo de reflexão. • Freqüências de Operação: Para se até 6 Km sem visada, utilizando apenas o mecanismo de reflexão. ?? Frequências de Operação: para se obter escalabilidade e conseqüentemente redução de custos, os fabricantes devem ser capazes de utilizar virtualmente a mesma tecnologia em todos os mercados, regiões e parses.

Como cada região tem a sua legislação própria o IEEE procurou criar um protocolo que seja capaz de operar em freqüências que vão desde 2,4 GHz até 66 GHz. O que nao significa que o mesmo rádio será capaz de operar em todas as frequências e sim que os fabricantes poderão usar o mesmo protocolo de modulação, modificando apenas as antenas, o sistema de potência e outros sub-sistemas menores ue sejam dependentes da frequência. Quantidade de Usuários: Uma aplicação MAN pode fornecer acesso a milhares de usuários.

Assim sendo, o WiMAX permitirá o controle de milhares de endereços MAC por setor. Quando se pensa em número de usuários questões como desempenho, qualidade de serviço e segurança logo são levantadas. Desempenho: Uma medida de desempenho essencial em redes sem fio é a quantidade de banda obtida para cada Hz utilizado. Isso é importante porque existem limitações na faixa de freqüência que se pode utilizar e assim esse parâmetro informa com quantos Bps (bits por egundo) se poderá trafegar. Enquanto o padrão IEEE 802. 11 1 la/g) fornece aproximadamente 2,7 Bps/Hz o IEEE 802. 6 (. 1 6a) irá fornecer 5,0 Bps/Hz, quase o dobro de aproveitamento do espaço de frequências7. Qualidade de Sen,’iço: Uma preocupação do consórcio WiMAX é que o padrão 802. 16 ofereça garantias para o tráfego de voz e vídeo com qualidade de operadora. Tendo isso como um princípio, o padrão I o tráfego de voz e vídeo com qualidade de operadora. Tendo isso como um princípio, o padrão IEEE 802. 16 foi projetado desde o seu início com recursos de priorização, controle/garantia de anda e QoS em todos os equipamentos: desde o nó central até o usuário final. Técnica de modulação FDM para transmitir grandes quantidades de dado digital sobre ondas de rádio. OFDM trabalha dividindo o sinal de rádio em múltiplos sinais menores (sub-sinais) que são então transmitidos simultaneamente em diferentes frequências para o receptor. OFDM reduz a quantidade de crosstalk (interferência eletromagnética) nas transmissões de sinais e é utilizada pelos padrões 802. 11a WLAN e 802. 16 WMAN [Webopedia]. 6 A partir desse ponto o termo WiMAX será tilizado como uma referência a família de padrões IEEE 802. 6, salvo quando menções ao fórum forem explicitamente efetuadas. 7 Como comparação, 0 802. 11a ocupa 20MHz e permite um desempenho de até 54 Mbps. 0 802. 16, ocupando os mesmos 20 MHz, irá permitir desempenho de quase 100 Mbps. 7 Segurança: O IEEE também se preocupou com a segurança e o sigilo das informações transmitidas. Para isso inclui como padrão protocolos de criptografia Triple-DES (128 bits) e RSA (l . 024 bits) além de mecanismos de certificação digital. 1. 2 Objetivos O foco desse trabalho é o 0 DF 83 canismo de provisão

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